[OS] 信號量（Semaphore）

一個信號量S是一個整型量，除對其初始化外，它只能由兩個原子操作P和V來訪問。P和V的名稱來源於荷蘭文proberen(測試)和verhogen(增量)，后面亦將P/V操作分別稱作wait(), signal()。

Wait()/Signal()的偽碼表示：

Wait(){                 Signal(){
    while(S <= 0);          S ++;
    S--;                }
}

但這並不是信號量的最終實現，最終的信號量實現最好是能解決2個問題：
(1)不能忙等。
(2)有某種方式記錄處於等待狀態的進程數量。

信號量可以被用來解決n個進程的臨界區問題，進程之間共享一個信號量mutex，mutex初始化為1。

下面是使用信號量的互斥實現(這里，初值為1的信號量代替了互斥鎖的功能)：

do
{
    wait(mutex);
    //臨界區；
    signal(mutex);
    //退出區；
}
while(1);

上述的信號量的概念描述中，P操作中的等待是用while循環形式的忙等來實現的-----忙等，浪費CPU時鍾
使用忙等形式實現的信號量也被成為自旋鎖（Spinlock）。
Spinlock在多處理器系統中是有用的，在進程等待一個鎖的時候無需進行上下文切換，上下文切換可能需要花費很長的時間，在鎖只需要保留較短時間時，自旋鎖比較有用。

為了避免進程忙等，wait和signal的定義需要進行修改：
Wait:
當一個進程執行wait操作但發現信號量S<=0時，它必須等待，這里的等待不是忙等，而是阻塞自己。
阻塞操作將一個進程放入與信號量相關的等待隊列中，且該進程的狀態被切換成等待狀態，接着控制被轉到CPU調度程序，以選擇另一個進程來執行。
Signal:
一個進程阻塞且等待信號量S，可以在其他進程執行signal操作之后被重新執行。

信號量的物理意義：
S>0表示有S個資源可用
S=0表示無資源可用
S<0，|S|表示S等待隊列中的進程個數

為了定義基於阻塞（block）/喚醒（wakeup）的信號量，可以將信號量定義為如下一個"C"結構：

typedef  struct
{
    int value;
    struct process *L;//在該信號量上阻塞的進程隊列
} semaphore;

Wait操作定義：

void  wait(semaphore S)
{
    S.value--;
    if(S.value<0)
    {
        add this process to S.L;
        block();
    }
}

Signal操作定義：

void  signal(semaphore S)
{
    S.value++;
    if(S.value<=0)
    {
        remove a process P from S.L;
        wakeup(P);
    }
}

下圖是Wait()和Signal()操作執行的流程圖：

　 　 Wait()　　　　　　　　　　  Signal()